磁珠的基本工作特性

相信很多人見(jiàn)過(guò)下面的這個(gè)東東：

還有這么個(gè)東東 -

可是不知道里面究竟是什么東東？

好奇的人打開(kāi)一看，其實(shí)就是導(dǎo)線繞了一圈裝了個(gè)套？那么這個(gè)神奇的套又是個(gè)什么東東？

我們很多人在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候都用下面這種方式進(jìn)行電源濾波，L1 - 2.2uH的電感和C4、C5、C組成低通濾波，抑制高頻噪聲，這個(gè)很容易理解。

可看到很多電路里出現(xiàn)這么種器件，編號(hào)也很詭異 - 一般人只會(huì)解讀出0603封裝這么個(gè)信息，并沒(méi)有標(biāo)明究竟有多少電感量。

是不是很懵逼？

我第一次看到別人的參考設(shè)計(jì)的時(shí)候也是一頭霧水，看了看板子上的器件，長(zhǎng)得跟貼片的電阻、電容沒(méi)有啥區(qū)別，但又不好意思咨詢別人，覺(jué)得這玩意兒應(yīng)該是很簡(jiǎn)單的一個(gè)東西，怎么自己不懂呢？是不是很多工程師朋友有類(lèi)似的感覺(jué)？

后來(lái)才知道它的名字叫Ferrite Bead（簡(jiǎn)寫(xiě)FB，有時(shí)候編號(hào)也用FB1、FB2來(lái)標(biāo)記），中文翻譯為鐵氧體磁珠，顧名思義 - 材料是用鐵氧體做的，有磁性的珠子。

材料咱就不用說(shuō)了，可，為什么叫珠子？哪里像個(gè)珠子？

直到看到下面的這個(gè)品種我才突然明白，原來(lái)是因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)就像我們用線串起來(lái)的各種珠子。

其實(shí)呢仔細(xì)看完各種珠子的結(jié)構(gòu)圖，越發(fā)覺(jué)得各種長(zhǎng)相的珠子其實(shí)結(jié)構(gòu)都是一樣的 - 名副其實(shí)。

那問(wèn)題來(lái)了，這種導(dǎo)線穿腸過(guò)的珠子和我們熟知的電感（線圈）有什么相同點(diǎn)和不同點(diǎn)呢？

很多讓人看得一頭霧水的理論模型和分析在這里就不再贅述，周末本是個(gè)放松的日子，不讓大家燒腦了，只告訴大家一些簡(jiǎn)單的結(jié)論吧：

磁珠子的基本工作特性：

簡(jiǎn)單地講 - 磁珠的阻抗Z主要由感抗X和電阻R構(gòu)成，在低頻段感抗X起作用，磁珠表現(xiàn)為感性 - 反射噪聲（突然覺(jué)得，人的感性也是這么回事，一言不合就懟回去，而不是默默地消化掉）；在高頻段電阻R起作用，磁珠表現(xiàn)為電阻性 - 吸收噪聲轉(zhuǎn)化為熱能（沙特的記者估計(jì)就不幸碰上了珠子的高頻段），兩種特性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為X和R曲線的交點(diǎn)，我們稱這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)為抗阻特性轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在此轉(zhuǎn)折點(diǎn)頻率以下，磁珠表現(xiàn)為電感性，反射噪聲，在此轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上，磁珠表現(xiàn)為電阻性，磁珠吸收噪聲轉(zhuǎn)換為熱能。

鐵氧體磁珠的等效電路和頻率響應(yīng)曲線

可以簡(jiǎn)單地想象為FB和C構(gòu)成的電源濾波電路：

• 在低頻段等效為L(zhǎng)C濾波電路
• 在高頻段等效為RC濾波電路

在使用磁珠的時(shí)候要根據(jù)信號(hào)的頻率和用途進(jìn)行合理選型，如果你想用它來(lái) 濾除噪聲 ，噪聲的頻率范圍要高于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的頻率才有作用，這樣可以使噪聲頻帶的范圍都處于磁珠的電阻性起主要作用的頻帶范圍內(nèi)，從而吸收噪聲轉(zhuǎn)化為熱能；如果你用磁珠來(lái)進(jìn)行信號(hào)的 濾波 ，信號(hào)的頻帶范圍要小于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的頻率，在這個(gè)頻率范圍磁珠處于電感起作用的區(qū)間，能夠減小信號(hào)的衰減。

磁珠的選擇除了考慮上述的頻率點(diǎn)以外，還要注意磁珠的額定電流和 直流電阻 。直流偏置電流大于額定電流的20％會(huì)導(dǎo)致磁珠飽和，電感顯著下降，并降低磁珠的有效阻抗進(jìn)而降低其EMI濾波能力，因此用在電源濾波時(shí)，要確保電流不會(huì)導(dǎo)致鐵氧體材料飽和并產(chǎn)生顯著的電感變化。高于額定電流值也可能會(huì)損壞器件，這個(gè)限制也會(huì)受到熱量的極大影響，隨著溫度的升高，額定電流會(huì)迅速降低。在大多數(shù)情況下，制造商僅在100 MHz時(shí)指定磁珠的阻抗，并在零直流偏置電流下公布具有頻率響應(yīng)曲線的數(shù)據(jù)表。但是，當(dāng)使用鐵氧體磁珠進(jìn)行電源濾波時(shí)，通過(guò)鐵氧體磁珠的負(fù)載電流永遠(yuǎn)不會(huì)為零，當(dāng)直流偏置電流從零增加時(shí)，所有這些參數(shù)都會(huì)發(fā)生顯著變化。

（a）電感值隨直流偏置電流的變化，（b）和（c）為兩種不同的磁珠的阻抗-頻率響應(yīng)曲線

由于鐵氧體磁珠是電感性的，如果與高Q的去耦電容一起使用將會(huì)導(dǎo)致電路中產(chǎn)生不必要的諧振，從而放大系統(tǒng)中的紋波和噪聲。一個(gè)最簡(jiǎn)單的避免諧振的方法 - 在FB上串聯(lián)一個(gè)很小的阻尼電阻（如下圖）。

正是由于鐵氧體磁珠的X+R的屬性，它被廣泛用于各種電源抑制噪聲、產(chǎn)品降低EMI的應(yīng)用中。

鐵氧體磁珠在降低高速信號(hào)EMI和電源抑制噪聲中的使用

模數(shù)混合的電路中通過(guò)磁珠獲取干凈的供電電壓

最后我們?cè)賮?lái)說(shuō)說(shuō)磁珠和電感在使用上的共性與不同，先看共性：

• 都有頻率特性曲線 - 磁珠是頻率與阻抗的特性曲線；電感是頻率與電感值的特性曲線以及頻率與Q值的特性曲線；
• 這兩個(gè)器件都是用來(lái)通直流的，也都有 直流電阻 ，在使用中希望它們的直流電阻要盡可能小以降低在器件上的直流壓降；
• 額定電流 - 它們工作的時(shí)候都有電流上限的，超過(guò)額定電流會(huì)影響其工作性能，并有可能對(duì)器件造成損害。

不同點(diǎn)：

• 對(duì)噪聲的處理方式不同 - 電感和電容構(gòu)成LC低通濾波電路，電容負(fù)責(zé)旁路高頻噪聲，電感只是負(fù)責(zé)“反射”高頻噪聲， 沒(méi)有消除噪聲的作用；磁珠和電容構(gòu)成的電源濾波電路在低頻的時(shí)候磁珠反射噪聲，跟電感一樣的功能，在高頻的時(shí)候則表現(xiàn)為電阻特性，吸收高頻噪聲轉(zhuǎn)換為熱量，從根本上消除噪聲；
• 自身導(dǎo)致的危害不同 - LC構(gòu)成濾波電路時(shí)，二者都是儲(chǔ)能元件，很容易產(chǎn)生自激振蕩，給電路帶來(lái)影響；磁珠是耗能器件，在高頻應(yīng)用中不太會(huì)自激，不會(huì)給電路帶來(lái)噪聲的影響，但在低頻段有可能導(dǎo)致諧振；
• 濾波的頻率范圍不同 - 電感在不超過(guò)50MHz的低頻段時(shí)有較好的濾波性能，頻率再高濾波效果不好；而磁珠利用其高頻時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的電阻特性吸收高頻噪聲，濾波的頻率范圍要遠(yuǎn)大于電感；
• 直流壓降不同 - 它們都有直流阻抗，但同等級(jí)別（封裝）的濾波器件，磁珠的直流電阻要小于電感，磁珠造成的壓降也小于同等級(jí)別的電感造成的壓降。